Bài giảng Laser

 ** Phương pháp dùng chùm địên tử để kích thích 
 ** Phương pháp phun các hạt tải không cân bằng qua lớp tiếp 
	 xúc p-n 
4.2.4 Phân loại laser bán dẫn : 
	 * Dạng phun : phổ biến GaAs , hay gọi là laser diode GaAs 	 được chế tạo từ màng mỏng đơn tinh thể . 
	_ có hiệu suất lớn 
	_ Tạp chất thường là Te,Se . 
	_ kích thướt khá nhỏ 0.5 mm x 0.2 mm 
	_ Bức xạ của laser gần vùng 8300 A đến 8500 A. 
	_ Khi thay đổi mật độ dòng thì đặc trưng phổ cũng đổi . 
	_ Bức xạ cươãng bức sinh ra chỉ ở một lớp rất mỏng 2 micromet . 
_ Ngoài ra sự phụ thuộc nhiệt độ cũng khá quan trọng . Từ kết quả nghiên cứu cho thấy , khi T tăng thì mật độ dòng tăng và hiệu suất giảm vì thế , hầu het laser bán dẫn làm việc ở nhiẹt độ thấp . 
_ Bên cạnh đó còn phu thuộc vào áp suất,từ trường , nồng độ của tạp chất.v.v .. 
_ các loại laser phun khác 	 vùng bước sóng phát(micrimet ) 
	 GaAs 	0,84 
	 Ga(Asp )	0,64 : 0,84 
	 GaAlAs 	0,84 : 	3.11 
	 InAs 	3,11 
	 In(AsP )	3,11 : 5,18 
	 InSb 	6,18 
	 InP 	0,9 
.. 
	 PbS 	4,32 
	 PbTe 	7,3 
* Dạng dùng bơm quang học : 
@Ta biết công suất phát laser tỷ lệ thuận với khối lượng hoạt chất sử dụng . 
@ Có thể nguồn laser kích thích có năng lượng photon nhỏ hơn năng lượng vùng cấm của diode bán dẫn . 
@ Độ dày của lớp tiếp xúc p-n trong kích thích quang có thể đạt được khá lớn gần 20 micromet và hi vọng dễ chế tạo hơn . 
Bảng sau cho một số laser bán dẫn dùng bơm quang học đã 
 nghiên cứu thành công : 
Chất bán dẫn 	 
	 Nguồn kích laser . 
	 GaAs 	0.836	Laser ruby	 
 GaAs 	0.836	 kính Nd 
	 InAs 	3.2	 GaAs 
	 InSb 	5.3	 
	 PbTe 	6.5	 
	 CdS 	0.495 	Ruby 
	 CdSe 	0.697	 kính Nd 
	 CdSe 	0.697 	 Ga ( AsP ) 
*** Chúng ta hy vọng răng với những kết quả trên ,laser bán dẫn sẽ có bước tiến mới trong khoa hoc ky thuật hiện đại . 
*** Với thành tựu trong vật liệu bán dẫn người ta đã tạo được laser bán dẫn đa giếng lượng tử , đơn giếng lượng tử có nhiều ứng dụng thực tế . Một số laser mới như  : laser có sự phản hồi được phân bố , laser soliton.v.v.v. 
4.3 Laser khí  : 
Ưu điểm  : 
* dễ chế tạo 
* cấu trúc phổ năng lượng của khí nguyên tử hay phân tử được nghiên cứu kỹ . 
* Vùng bước sóng phát rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại 
* Có thể đạt công suất lớn . 
 * Các quá trình kích thích nhờ sử dụng hiện tượng phóng điện trong chất khí , qua một số quá trình trung gian tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ trong hai mức hoạt động của laser. 
 * Quá trình kích thích do va chạm có hai loại  : trực tiếp và sự truyền cộng hưởng năng lượmg kích thích . 
 * Các quá trình kích thích khác như  : 
 	+ Nhờ va chạm điện tử dẫn đến ion hoá Penning và ion hoá truyền qua điện tích . 
	 + Nhờ bức xạ tự phát từ các hệ nguyên tử được kích thích . 
 + Nhờ hiện tượng hấp thụ hay bức xạ cưỡng bức . 
	 + Nhờ va chạm với thành bình . 
	+ Nhờ hiện tượng phân ly , tái hợp , và quá trình tạo ra các phản ứng hoá học . 
 * Phân loại  : 
 1. laser đơn nguyên tử He-Ne   
2. laser khí ion  
3. Laser khí phân tử  : 
4.Laser hoá học   5.Laser excimer   
4.4 Laser lỏng 
 Cũng như chất rắn , khí , chất lỏng cũng dùng làm hoạt chất laser. 
Ưu điểm  : 
	 @ không đòi hỏi việc gia công chính xá 
 @ dễ tăng nồng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tăng công suất lớn . 
	@ Dễ dàng làm lạnh hoạt chất 
 @ Dễ tiến hành nghiên cứu . 
Nhược điểm  : là hệ số dẫn nhiệt tương đối lớn nên hoạt chất nhanh nóng làm cho không ổn định về tần số , công suất phát . 
	 Phân loại  : 
 ** Laser chelate hữu cơ - đất hiếm 
 **Laser vô cơ oxyd chloride- neodym-selen 
	 **Laser màu 
V/. Sự tạo xung cực lớn cho laser 
	@Laser phát xung chủ yếu ở trạng thái không dừng và tuỳ thuộc vào hàm bơm . 
 @ Việc tao xung phổ biến hiện nay theo hai nguyên tắc sau ; 
 * Biến điệu độ phẩm chất hay là Q- swiching 
 	* Làm đồng bộ mode 
VI/. Ứng dụng tia laser 
	* Do cường độ tia laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt 
	*Do độ dịnh phương của tia laser cao 
	* Độ đơn sắc cao nhất khi ổn định tần số,buồng cộng hưởng không rung. 
	* Đây cũng là những ưu điểm của tia laser nói chung , bên cạnh đó có nhiều yếu tố khác như : không gian , thời gian ,do vậy,laser có rất nhiều ứng dụng trong khoa học ky thuật . 
 *** Trong nghiên cứu khoa học : khi tượng , thông tin liên lạc .,.. 
 *** Trong khoa học kỹ thuật : y hoc, sinh hoc 
Tóm lại , laser có rất nhiều ưu điểm , nhưnh không tránh khỏi nhược điểm là , 
 khi ta sử dụng phải rất cẩn thận và an toàn về thiết bị con người . 
Bài : LED 
I. Cấu tạo 
II. Nguyên tắc hoạt động 
III. Bước sóng phát xạ của LED 
IV. Tốc độ đáp ứng của LED 
V. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Led. 
VI.Ưu và khuyết điểm của LED. 
I/. Cấu tạo của LED 
 *Led gồm hai lớp bán dẫn p và n được ghép với nhau . 
 *Electron từ vùng n khuếch tán sang vùng p,làm cho vùng n mang điện dương . 
 * Lỗ trống khuếch tán sang vùng n,làm cho vùng p mang điện âm . 
 Hình thành hai vùng nhiễm điện trái dấu nhau , còn vùng ở sát lớp chuyển tiếp giữa 2 lớp bán dẫn(vùng chuyển tiếp ) không mang điện . 
 * Ơû vùng chuyển tiếp có điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống vùng hoá trị tạo nên bức xạ tái hợp . Đồng thời hình thành điện trường giữa hai vùng p-n và dòng rò tạo nên nó cản trở sự khuếch tán của electron vàlỗ trống làm tắt sự phát quang . 
Như vậy , để xảy ra phát quang phải áp vào một điện trường ngược chiều điện trường trong vùng chuyển tiếp làm giảm dòng rò , tăng khả năng khuếch tán . 
Cấu trúc cơ bản của LED 
Hình : phổ bức xạ của GaAs LED ở nhiệt độ phòng ở 77 K 
II/. Nguyên tắc hoạt động của LED: 
Khi diode được phân cực thuận sẽ có sự phun electron và lỗ trống . Lỗ trống được phun vào miền n tái hợp với electron và tạo ra photon nhưng các photon này không ló ra được khỏi bề mặt LED. Ngược lại các electron được phun qua miền p khi tái hợp sẽ bức xạ photon và những photon này ở gần bề mặt nên ló ra ngoài với xác suất cao . 
W 
o 
W 
o 
Neutral 
n 
-region 
Neutral 
p 
-region 
x 
W 
H 
o 
l 
e 
s 
E 
l 
e 
c 
t 
r 
o 
n 
s 
D 
i 
f 
f 
u 
s 
i 
o 
n 
D 
r 
i 
f 
t 
x 
( 
a 
) 
( 
b 
) 
T 
h 
e 
r 
m 
a 
l 
l 
y 
g 
e 
n 
e 
r 
a 
t 
e 
d 
E 
H 
P 
p 
n 
o 
n 
p 
o 
V 
r 
E 
o 
+ 
E 
M 
i 
n 
o 
r 
i 
t 
y 
C 
a 
r 
r 
i 
e 
r 
C 
o 
n 
c 
e 
n 
t 
r 
a 
t 
i 
o 
n 
e 
( 
V 
o 
+ 
V 
r 
) 
e 
V 
o 
W 
( 
V 
= 
– 
V 
r 
) 
M 
H 
o 
l 
e 
P 
E 
( 
x 
) 
Reverse biased 
pn 
 junction. (a) Minority carrier profiles and the origin of the 
reverse current. (b) Hole 
PE 
 across the junction under reverse bias 
© 1999 S.O. Kasap , 
Optoelectronics 
(Prentice Hall) 
Homojunction leds 
 Độ dài sóng của bức xạ được xác định bởi độ rộng vùng 
 cấm của vật liệu làm LED 
 Sử dụng bán dẫn pha tạp rất tiện lợi vì ta có thể thay đổi độ rộng vùng cấm theo từng tỷ lệ pha khác nhau . 
III/. Bước sóng phát xạ của LED 
LED có thể phát ra phổ rất rộng từ hồng ngoại đến toàn bộ vùng 
ánh sáng khả kiến . 
IV/. Tốc độ đáp ứng của LED: 
	 Tốc độ đáp ứng của Led phụ thuộc vào tốc độ tái hợp . 	 Vì vậy sự điều biến tốc độ của LED bị giới hạn với phổ 
điều biến la:ø 
 Nếu ta tìm cách làm cho LED đáp ứng nhanh hơn bằng cách giảm thời gian tái hợp thì hiệu quả sẽ giảm do các tái hợp không bức xạ . Thông thường các LED đặc biệt với tốc độ nhanh và hiệu quả cao được sử dụng làm đèn chỉ thị và màn hình có tần số khoảng vài trăm kHz. 
V/. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của LED: 
 5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ : 
Sự khuếch tán các hạt tải ra khỏi vùng hoạt tính tạo ra dòng rò làm giảm hiệu suất phát quang 
5.2 Hiệu ứng Auger: 
Do e ở vùng dẫn hấp thu photon phát ra và sau đó giải phóng năng lượng này dưới dạng nhiệt 
Khi sử dụng các loại bán dẫn bị tác động lớn bởi nhiệt độ thì phải tính toán đến yếu tố nhiệt độ trong hiệu suất hoạt động của LED. 
Ngoài ra , hiệu suất lượng tử trong và hiệu suất lượng tử ngoài cũng ảnh hưởng đến hoạt động của led. 
	LED đơn thể gặp phải rất nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất phát quang do: 
	- Sự tự hấp thu 
	- Hiệu ứng bề mặt 
 ** Hiệu suất lượng tử trong : 
 ** Hiệu suất lượng tử ngoài : 
	 Có ba cơ chế chính làm suy giảm hiệu suất lượng tử ngoài của LED : 
Sự hấp thu của vật liệu 
Sự mất mát Fresnel 
Sự mất mát do phản xạ toàn phần 
+ Sự hấp thu của vật liệu 
Các photon phát ra bị hấp thu lại trong bán dẫn do quá trình kích thích tạo ra cặp electron- lỗ trống mới 
substrate 
n 
p 
 c 
n 1 
n 2 
top contact (+) 
bottom contact (+) 
Ưu điểm : 
Dễ chế tạo , kết hợp với những thiết bị khác , 
Không cần kính lọc mà vẫn cho ánh sáng có màu sắc khác nhau 
Tần số hoạt động cao , tuổi thọ cao 
 Thể tích , công suất tiêu hao nhỏ 
Cho ánh sáng đơn sắc cao ( đối với mắt người ) 
Hạn chế của LED: 
Cho phổ rộng , không liên tục (< - diod Laser), 
Ngõ ra thấp 
VI/. Ưu khuyết điểm của LED: